自旋电子学材料的退磁与自旋弛豫机理的超快动力学研究

Ultrafast dynamics of magneto-optical interaction is the prerequisite for the development of high-speed magnetic memory. Development of femtosecond laser technology aims to provide a research tool, study of ultrafast spin dynamic has become an international frontier research hotspots. However, after the laser pulse excitation of the spin electronics materials, the demagnetization physical process of interaction between electron, spin, orbital and lattice has not been studied well, especially the dissipative channels of spin angular momentum. This project is intended to use femtosecond time-resolved ultrafast spectroscopy techniques combined with high pressure Diamond Anvil Cell technology，discuss the interaction among electron, spin and lattice under ultrafast laser pulses excitation by changing the pressure to regulate the spin dynamics of nanoring magnetic tunnel junctions, further explore the dissipation channel of spin angular momentum. We aim to reveal ultrafast demagnetization mechanism and spin relaxation path of different ferromagnetic materials and nanoring magnetic tunnel junctions by control of spin transport through an applied electric field and changing the polarization direction and intensity of the excitation light. Our study will provide experimental support for exploring a new type of spin electronics materials, to enhance our international influence in the research fields of ultrafast spin electronics.

光-磁相互作用的超快过程研究，是发展高速磁存储器的前提。飞秒激光技术的发展为此提供了研究手段，超快自旋动力学研究已成为国际前沿热点。然而激光脉冲激发自旋电子学材料后，电子、自旋、轨道和晶格之间相互作用的退磁物理过程还没有研究清楚，特别是自旋角动量耗散途径存在很大争议。本项目拟以飞秒时间分辨超快光谱为技术手段，结合金刚石对顶砧高压技术，通过压力调控环状磁性隧道结的自旋动力学，探讨超快激光脉冲激发条件下电子、自旋、晶格等之间的相互作用，并解释其自旋角动量的耗散途径。通过外加电场调控自旋输运，改变激发光的偏振方向，激发强度等因素，揭示不同结构铁磁材料与环状磁性隧道结的超快退磁机理和自旋弛豫途径。我们的研究将为探索新型自旋电子学材料提供实验支持，提高我国在超快自旋电子学等研究领域的国际影响力。

光-磁相互作用的超快过程研究对推动超高密度存储、微机电传感系统和自旋电子器件等领域的技术革新和进步有着重大的基础科学研究价值。磁性材料的超快自旋动力学研究因此成为当前的国际前沿热点。本项目完成了实验研究激光场中不同磁性材料的超快磁化动力学过程。本项目利用了飞秒脉冲激光激发磁性样品并探测磁化变化的超快过程，研究了不同结构的磁性材料，如Co, CoNi, CoFeB,Co2FeAl0.5Si0.5等的超快自旋动力学过程，通过分析其超快电子弛豫动力学时间常数，通过全局分析和数据拟合，探讨了脉冲光激发后，其瞬态自由度电子-自旋、电子-晶格和自旋-晶格如何相互作用以及如何达到能量平衡的过程，探讨自旋角动量在其中的耗散途径。通过对超快退磁有响应的因素来进行调控，如改变了温度，磁场，压力，外加电场等因素来调控自旋以影响其电子，自旋，晶格等相互作用，对激光激发后的超快退磁动力学进行分析，讨论了电子、自旋、晶格等之间的相互作用，并解释其自旋角动量的耗散途径。改变了激发光的偏振方向，激发强度等因素，通过组装贵金属等实验方案，通过超快动力学测量分析，揭示了不同结构的铁磁材料的超快退磁过程和自旋弛豫途径。我们的研究将为未来磁技术探索新的长度和时间尺度，支持了高科技社会对“更小更快”的要求。同时阐明磁性纳米材料与超快飞秒光学交叉的关键物理科学问题，为磁性纳米材料科学家提供更多的超快实验支持。为生产商业化的大容量信息存储器提供了理论和实验支持。对提升我国在磁性纳米结构、飞秒磁性以及自旋电子学等研究领域的国际影响力具有重要意义。